Sprawniejsze i bardziej zrównoważone konstrukcje silników
Silniki o ultrawysokiej sprawności, określane obecnie angielską nazwą Ultra-High Propulsive Efficiency lub skrótem UHPE, to jeden z najważniejszych prototypów opracowanych w ramach programu Engines Integrated Technology Demonstrator realizowanego jako jeden z elementów wspólnego przedsięwzięcia „Czyste Niebo 2”. Celem programu jest opracowanie zintegrowanych prototypów silników, które będą charakteryzować się mniejszym zużyciem paliwa, większą sprawnością, a także niższą emisyjnością w porównaniu z najwydajniejszymi współczesnymi konstrukcjami turboodrzutowymi. Jednym ze sposobów realizacji tych założeń jest zwiększenie wydajności ciągu oraz sprawności cieplnej silnika do niespotykanych dotychczas poziomów. Wśród podejść, które mogą przyczynić się do osiągnięcia tych celów, jest zwiększanie współczynnika dwuprzepływowości i zmniejszanie współczynnika ciśnienia wentylatora. Spełnienie wymogów norm środowiskowych jest możliwe wyłącznie, gdy współczynnik dwuprzepływowości jest większy niż 15:1. Taki stan rzeczy rodzi jednak szereg wyzwań technicznych dotyczących przede wszystkim materiałów stosowanych w układzie napędowym silnika UHPE.
Problemy silników o bardzo wysokim współczynniku obejścia
Współczynnik dwuprzepływowości to pojęcie, które oznacza stosunek przepływu pierwotnego (ilości powietrza przepływającego przez rdzeń silnika) do przepływu wtórnego (ilości powietrza omijającego komorę spalania). Zwiększanie drugiego parametru powoduje wzrost sprawności silnika oraz ograniczenie generowanego przez niego hałasu. W silnikach o ultrawysokim stopniu dwuprzepływowości najlepiej sprawdza się konstrukcja przekładniowego silnika turboodrzutowego. „Technologia ultrawysokiego współczynnika dwuprzepływowości, której zastosowanie stało się możliwe dzięki użyciu koncepcji przekładniowego silnika turboodrzutowego, wykorzystuje możliwość ustalenia różnych prędkości dla wentylatora i turbiny dzięki zintegrowanemu układowi napędowemu. To innowacyjne rozwiązanie pozwala na znaczące ograniczenie zużycia paliwa, a także emisji hałasu i szkodliwych substancji”, tłumaczy Ida Bartilotta, inżynier badawcza we włoskiej firmie AM Testing i koordynatorka finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu HILOGEAR. „Materiały wykorzystywane tradycyjnie do produkcji kół zębatych i łożysk nie spełniają wymogów w zakresie wytrzymałości, w związku z czym nie jest możliwe zastosowanie ich w przekładniach silników UHPE. W związku z tym konieczne jest przyjrzenie się nowym materiałom oraz nowatorskim metodom obróbki cieplnej”, dodaje Bartilotta.
Badanie osiągów materiałów w realistycznych warunkach
Dzięki wsparciu uzyskanemu w ramach projektu HILOGEAR, spółka AM Testing przeprowadziła badania mające na celu ustalenie wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej kół zębatych i łożysk pod kątem typowych mechanizmów uszkodzeń, takich jak zginanie i ścieranie. Przeprowadzone testy i doświadczenia miały na celu ocenę właściwości materiałów wykorzystywanych do produkcji łożysk i kół zębatych w warunkach pracy zbliżonych do tych, w jakich pracują nowoczesne silniki – oznacza to duże obciążenia i wysokie temperatury otoczenia. Stanowisko testowe do przeprowadzania badań w zakresie zginania i ścierania wykorzystane w ramach badań pozwalało na osiągnięcie mocy 1 MW przy maksymalnej prędkości wynoszącej 140 m/s. Stanowisko pozwala na osiągnięcie temperatury smaru wynoszącej aż 180 °C, a także przeprowadzanie doświadczeń w ekstremalnych warunkach. Naukowcy zbadali obiecujące metody obróbki materiałów na bazie stali, które można wykorzystać do wytwarzania kół zębatych i łożysk. Łącznie odbyło się 46 sesji testowych łożysk trwających łącznie 34 000 godzin. W tym czasie badacze przetestowali dwa połączenia materiałów i metod obróbki cieplnej. Przeprowadzono także 228 testów wytrzymałościowych materiałów wykorzystywanych do wytwarzania kół zębatych trwających łącznie 3 700 godzin. W tym wypadku badacze przetestowali pięć połączeń materiałów i metod obróbki cieplnej.
Nadchodzi era sprawniejszych silników lotniczych
Rezultaty projektu HILOGEAR wpisują się w prace nad rozwojem technologii wchodzących w skład prototypu silnika UHPE. Zostaną także wykorzystane w przyszłych badaniach oraz projektach. „Dzięki projektowi HILOGEAR, spółka AM Testing, która działa w sektorze małych i średnich przedsiębiorstw, otrzymała możliwość współpracy ze spółką Schaeffler Aerospace Germany w zakresie rozwoju wysoce precyzyjnych systemów łożysk i przekładni na potrzeby silników lotniczych. Zacieśniliśmy również więzi z włoską firmą Avio Aero zajmującą się lotnictwem biznesowym, co może umożliwić dalszą współpracę w przyszłości”, podsumowuje Bartilotta.
Słowa kluczowe
HILOGEAR, koła zębate, łożyska, AM Testing, Ultra-High Propulsive Efficiency, przekładniowy silnik turbowentylatorowy, ultrawysoki współczynnik dwuprzepływowości, Schaeffler Aerospace Germany, Avio Aero
